2.3. Измерительная n-проводная линия связи и неравновесный измерительный мост.

Итак, изменение сопротивления общепромышленного платинового термометра сопротивления на каждый градус Цельсия невелико и составляет около 0.2 Ом/⁰С.

Это изменение необходимо передать на измерительный или нормирующий преобразователь с помощью n-проводной низкоомной линии связи. Линия связи так же должна быть измерительной, поскольку ее сопротивление неминуемо будет влиять на результаты измерений.

В зависимости от отдаленности объекта от аппаратной части температурного канала, требований к точности измерений и метода преобразования, реализованного в последующем преобразователе, применяются 2-х, 3-х и 4-х проводные измерительные линии связи, основные варианты которых приведены на рис.2.

При анализе вариантов линий связи будем считать, что сопротивление нижних токозадающих резисторов RТ много больше сопротивлений Rt, R0 и Rл.

В этом случае токи правой и левой ветвей моста будут практически равными, I1 = I2 = I.

А выходное напряжение неравновесного моста ∆U будет определяться разностью падений напряжений на резисторах левой верхней и резисторах правой верхней ветвях моста.

Знак выходного напряжения легко определяется из простых физических рассуждений и этот вопрос оставляется на рассмотрение обучающимся.

■ 2-х проводная измерительная линия связи. На рис.2.а приведена 2-х проводная линия связи, соединяющая термометр сопротивления и измерительный мост.

Легко показать, что выходное напряжение моста определяется выражением:

∆U = (Rt + 2Rл) I1 - R0 I2 = Uм [(R0/RТ) αТ] [1 + (2Rл)/(R0 αТ)].

Если бы сопротивление измерительной линии было нулевым, то выходное напряжение моста определялось бы только температурой контролируемого объекта:

∆U = Uм (R0/RТ) αТ. (2)

Однако измерительная линия обладает сопротивлением Rл, зависящим от температуры среды, где она проложена. Это в данном случае приводит к ошибке измерений, определяемой соотношением

(приведенная относительная ошибка измерения ε) = (2Rл)/(R0 αТн), (3)

где Тн – номинальное значение температуры, определяемое верхним диапазоном измерений; если, например, диапазон измерения 0…100 ⁰С, то номинальное значение температуры Тн = 100 ⁰С.

Соотношение (3) определяет возможность использования двухпроводной линии для конкретных условий эксплуатации и допустимой погрешностью измерений.

■ 3-х проводная измерительная линия связи. В трехпроводной линии связи (Рис.2б) токи ветвей моста I1 и I2 проходят по идентичным сопротивлениям Rл, и падения напряжения на них компенсируют друг друга, не влияя, таким образом, на выходное напряжение моста.

Сопротивления линии связи при настройке канала должны быть подогнаны друг к другу с очень высокой точностью, в промышленных измерениях Rл = (10,000 ± 0,005) Ом. Это очень трудоемкая работа.

Однако сопротивление линии Rл, по которой напряжение Uм подается к клемме термометра сопротивления, разумеется, будет влиять на выходное напряжение моста, изменяя фактическое напряжение питания моста в зависимости от температуры окружающей среды на величину ∆Uм:

∆Uм = (2 I) Rл = 4 (Rл /RТ) Uм.

Относительное изменение напряжения измерительного моста приводит к такому же относительному изменению его выходного напряжения:

ε = 4 (Rл /RТ). (4)

Это соотношение позволяет оценить погрешность при использовании в данных условиях трехпроводной измерительной линии связи.

■ 4-х проводная измерительная линия связи. При использовании 4-х проводной линии погрешность, обусловленная сопротивлением линии связи Rл полностью исключается:

ε = 0 (5)

Снимаются жесткие требования к сопротивлению линий Rл и она становится легкой и дешевой.

На рис.2в приведен пример использования такой линии при применении приемного устройства на основе измерительного усилителя и стабильного источника тока. Существенным недостатком здесь является необходимость определения температуры контролируемого объекта из исходного соотношения (1).

2 .4. Измерительные преобразователи. Рассмотрим структуру измерительного преобразователя на примере преобразователя Ш79.

Одним из основных узлов измерительного преобразователя является неравновесный измерительный мост. Питание моста осуществляется от регулируемого источника напряжения. Выходной сигнал моста усиливается и поступает на преобразователь напряжения в выходной ток. Этот ток по информационной токовой линии связи поступает в приемник информации, то есть конечному потребителю.

Входные и выходные цепи преобразователя не имеют гальванической связи между собой и цепями питания, поэтому выходная цепь преобразователя допускает заземление любого из выходных контактов.

Термометр сопротивления, измерительная линия и резистивный мост, по сути дела, представляет собой измерительный мост преобразователя, распределенный в пространстве.

У прощённая схема измерительного моста приведена на рис.4.

Величина сопротивления резистора моста R0 соответствует сопротивлению Rt при температуре 0 ⁰С, поэтому ∆U = 0. При отклонении температуры от этого значения мост разбалансируется, и ∆U будет пропорционально величине отклонения.

При поиске неисправности измерительного преобразователя часто бывает необходимо быстро оценить работоспособность его моста, т.е. оценить величину выходного сигнала моста ∆U для заданного значения Rt.

Эту оценку легко сделать, если воспользоваться одним из упрощённых методов расчёта мостовых схем. При этом от данной модификации моста из 5 резисторов переходят к более привычному мосту из 4-х резисторов, без добавочного общего резистора в цепи питания моста. А поскольку измерительные мосты обычно ненагружены, то расчет теперь сильно упрощается, т.к. мост вырождается в два независимых друг от друга делителя напряжения.